将大量碳基纳米片(氧化石墨烯单原子片层)有序化，使石墨烯膜的片平整并且层间距精确可控，不仅仅是将石墨烯用于水处理、离子/分子分离和高容量/快速响应电池/电容等的关键，也对挖掘和展示石墨烯的力学、电学等物理性质非常重要。研究者们曾经付出了大量努力，包括利用纳米技术封装操控、膜间修饰小分子等技术，依然不能如愿。这主要是要将只有纸厚度万分一的石墨烯片稳定、精确“装订”成石墨烯膜，使片层间距达到水合离子直径1纳米左右的尺度、精度小于1埃以分辨离子，困难可想而知。最近，中国科学院上海应用物理研究所方海平团队和上海大学、南京工业大学和浙江农林大学多方合作，从水合离子和多芳香环体系的相互作用新原理入手，提出并在实验上实现了用水合离子自身精确控制石墨烯膜的层间距，展示了其出色的离子筛分性能[1]。阳离子与芳香环（富含π电子）之间的离子-π作用在上世纪80年代被发现。但是，在溶液中，由于离子被水分子水合后形成了水壳层的屏蔽，该作用从上世纪末起在国际上被普遍认为比较小甚至可以忽略不计。他们考虑到石墨烯片上的多苯环结构，通过理论计算提出了水合阳离子与碳基表面依然具有相当强的相互作用（水合离子-多芳香环相互作用），并根据这个新理论解释了为什么到目前为止纳米碳管难以在盐水脱盐方面取得实验进展[2]。对于石墨烯膜片，水合离子会较强地吸附上下两片氧化石墨烯片，进而控制石墨烯膜内的片层间距。而这个石墨烯片层间距是由离子自身来控制的，所以层间距就直接和水合离子直径相关，可以小到一纳米左右；精度就是不同水合离子的分辨间距，精确到小于一埃。而且水合离子-π作用减少了膜内部的波纹起伏，提高了膜的二维取向性，形成更平整的二维片层堆叠的结构。而将这样的石墨烯膜烘干后，我们就能得到平整的、层间距就由离子的直径控制的石墨烯膜。这样被离子控制的石墨烯膜兼具很好的精确性和稳定性。实验上，当石墨烯膜先与水合直径小的离子溶液作用后，具有更大水合直径的离子就难以进入该膜，展现出色的离子筛分性能。同时，实现有序化的干膜可用于新型锂离子电池设计和气体分离等。

参考文献：

(1)L. Chen#, G. Shi#(equal contributors), et al., Nature 550, 380 (2017).

(2)J. Liu, G. Shi*, et al., Phys. Rev. Lett. 115, 164502 (2015).

　　将大量碳基纳米片(氧化石墨烯单原子片层)有序化，使石墨烯膜的片平整并且层间距精确可控，不仅仅是将石墨烯用于水处理、离子/分子分离和高容量/快速响应电池/电容等的关键，也对挖掘和展示石墨烯的力学、电学等物理性质非常重要。研究者们曾经付出了大量努力，包括利用纳米技术封装操控、膜间修饰小分子等技术，依然不能如愿。这主要是要将只有纸厚度万分一的石墨烯片稳定、精确“装订”成石墨烯膜，使片层间距达到水合离子直径1纳米左右的尺度、精度小于1埃以分辨离子，困难可想而知。最近，中国科学院上海应用物理研究所方海平团队和上海大学、南京工业大学和浙江农林大学多方合作，从水合离子和多芳香环体系的相互作用新原理入手，提出并在实验上实现了用水合离子自身精确控制石墨烯膜的层间距，展示了其出色的离子筛分性能[1]。阳离子与芳香环（富含π电子）之间的离子-π作用在上世纪80年代被发现。但是，在溶液中，由于离子被水分子水合后形成了水壳层的屏蔽，该作用从上世纪末起在国际上被普遍认为比较小甚至可以忽略不计。他们考虑到石墨烯片上的多苯环结构，通过理论计算提出了水合阳离子与碳基表面依然具有相当强的相互作用（水合离子-多芳香环相互作用），并根据这个新理论解释了为什么到目前为止纳米碳管难以在盐水脱盐方面取得实验进展[2]。对于石墨烯膜片，水合离子会较强地吸附上下两片氧化石墨烯片，进而控制石墨烯膜内的片层间距。而这个石墨烯片层间距是由离子自身来控制的，所以层间距就直接和水合离子直径相关，可以小到一纳米左右；精度就是不同水合离子的分辨间距，精确到小于一埃。而且水合离子-π作用减少了膜内部的波纹起伏，提高了膜的二维取向性，形成更平整的二维片层堆叠的结构。而将这样的石墨烯膜烘干后，我们就能得到平整的、层间距就由离子的直径控制的石墨烯膜。这样被离子控制的石墨烯膜兼具很好的精确性和稳定性。实验上，当石墨烯膜先与水合直径小的离子溶液作用后，具有更大水合直径的离子就难以进入该膜，展现出色的离子筛分性能。同时，实现有序化的干膜可用于新型锂离子电池设计和气体分离等。

参考文献：

(1)L. Chen#, G. Shi#(equal contributors), et al., Nature 550, 380 (2017).

(2)J. Liu, G. Shi*, et al., Phys. Rev. Lett. 115, 164502 (2015).